Волоконные световоды

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Световоды

Оптоэлектроника

Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, в связи с резким повышением требования к чистоте окружающей среды и контролю производственных процессов, происходит качественное улучшение параметров аппаратуры систем сбора, передачи и обработки экологической и технической информации. Увеличивается объём собираемой информации, повышается роль цифровых вычислительных машин, новых информационных технологий, а также аппаратуры широко используемых коммуникационных систем (телефонной, радио и телевизионной связи) в системах передачи и обработки данных. Потребовалось резкое увеличение количества и качества датчиков, объемов и скорости передачи данных, дальности передачи, повышения широкополосности и информационно-пропускной способности каналов.

Перечисленные требования привели к необходимости использования высоких, сверхвысоких и крайне высоких частот, а также использования оптического диапазона и волоконно-оптических каналов передачи информации. обработка информация экологический оптический

Особыми преимуществами для решения современных задач информационно-вычислительных систем и сетей имеет применение оптоволоконных линий связи и квантовых интегрально-оптических устройств. Они удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к высокоскоростным цифровым каналам связи. Они также имеют хорошую совместимость с современными радиоканалами, радиоэлектронными и цифровыми устройствами. Кроме того, оптоволоконные каналы имеют практически неограниченную широкополосность, закрытость информации от прослушивания и электромагнитных помех.

СВЕТОВОДЫ

Волоконный световод представляет собой тонкую кварцевую нить (диаметром около 0,1 мм), по которой за счет полного внутреннего отражения может распространяться свет. Затухания света в волокне очень малы (0,1-1,0 дБ/км) и, поэтому, волоконные световоды активно используются для передачи оптических сигналов на большие расстояния и в широкой полосе частот. Оптический сигнал, распространяясь по кварцевому волоконному световоду, не подвержен электромагнитным наводкам. Это свойство было использовано для создания пассивных волоконно-оптических датчиков, когда интенсивность света, распространяющегося по волоконному световоду, изменяется пропорционально измеряемой величине (температуре, давлению, и т.д.). Однако такой аналоговый оптический сигнал подвержен сильным искажениям из-за дрейфов мощности излучения лазера и случайным затуханиям интенсивности света при изгибах волокна. По этой причине возникла идея использовать частоту в качестве информационного параметра. В этом случае измеряемый параметр изменяет частоту модуляции света, а не его амплитуду и, поэтому, такой сигнал не чувствителен к долговременным дрейфам и кратковременным флуктуациям интенсивности света в волокне.

Использование спектрального уплотнения каналов делает неизбежными жесткие требования к свойствам волоконных световодов, прежде всего к дисперсии и эффективной площади моды. Это связано с тем, что в данном случае значительно увеличивается суммарная мощность всех сигналов и в световоде происходят нелинейные явления, прежде всего 4-волновое смешение, вызывающее перекрестные помехи. Если в волоконный световод вводятся N длин волн, то за счет 4-волнового смешения появляются N2(N - 1)/2 новых длин волн. Если же в области вводимых длин волн дисперсия световода близка к нулю, то выполняется условие фазового синхронизма и процесс идет очень эффективно.

В волоконные световоды с дисперсией D = 0 и D = 2.5 пс/нм * км вводится излучение четырех спектральных каналов мощностью 2 мВт в каждом. На выходе световода длиной 50 км (чем длиннее световод, тем выше эффективность нелинейных процессов) с ненулевой дисперсией дополнительные длины волн не наблюдаются (вследствие 4-волнового смешения). В световоде же с нулевой дисперсией длиной 25 км эффективно идет 4-волновое смешение и ясно видны более 20 дополнительных длин волн.

Отсюда вытекает требование к волоконным световодам для систем со спектральным уплотнением каналов - отличная от нуля (но не очень большая) дисперсия на длинах волн несущего излучения, при этом изменение величины дисперсии в зависимости от длины волны должно быть минимально (для систем связи с одним спектральным каналом требовались световоды с нулевой дисперсией для увеличения скорости передачи информации, и такие световоды были разработаны: за счет структуры световода нуль дисперсии смещался от длины волны -1.3 мкм к длине волны 1.55 мкм). В результате для систем со спектральным уплотнением каналов разработаны специальные световоды - с ненулевой смещенной дисперсией. Другой путь снижения роли нелинейности - это увеличение диаметра сердцевины одномодового световода, точнее говоря, увеличение эффективной площади моды Аэф . В этом случае плотность мощности излучения сигналов уменьшается, приводя к существенному ослаблению нелинейных явлений. Такие одномодовые волоконные световоды с Аэф > 80 мкм2 разработаны и используются в экспериментальных системах со спектральным уплотнением каналов.

Однако в силу специфической структуры таких световодов распределение поля моды в них отличается от гауссова (большие градиенты в распределении интенсивности света), что приводит к более сильному акустическому отклику, вызванному электрострикцией. Известно, что большие радиальные градиенты интенсивности света оптических импульсов в одномодовых волоконных световодах приводят к электрострикционному возбуждению поперечных акустических волн в волоконном световоде. Это, в свою очередь, становится причиной временного возмущения эффективного показателя преломления, взаимодействия оптических импульсов и в конце концов ведет к ограничению скорости передаваемой информации.

Подводя итоги, можно сказать, что при создании систем связи со скоростью передачи информации >1 Тбит/с применяются всевозможные подходы, характеризующиеся использованием различного числа спектральных каналов и выбором информационной емкости индивидуальных каналов типа оптического усилителя и источника света. Это свидетельствует о надежности элементной базы и огромных потенциальных возможностях волоконно-оптических систем связи со спектральным уплотнением каналов.

Рост спроса в увеличении пропускной способности информационных линий связи приводит к неизбежному поиску новых решений для построения новейших волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). К настоящему времени многие ведущие лаборатории мира занимаются вопросом создания ВОЛС со скоростью передачи на канал 40 Гбит/с (STM-256) и выше. В данной главе рассмотрены две принципиально новые структуры ППП, которые могут быть использованы в построении перспективных ВОЛС.

Хроматическая дисперсия является одной из важнейших параметров ОВС и ее необходимо учитывать при создании ВОЛС. Хроматическая дисперсия в волоконных световодах может быть представлена в виде двух основных компонент: материальной и волноводной. Материальная компонента хроматической дисперсии зависит, главным образом, от выбора матрицы стекла, из которого изготовлен данный волоконный световод. Волноводная компонента в свою очередь определяется радиальной зависимостью ППП данного световода. Следовательно, можно подобрать ППП таким образом, что в результате получим необходимую зависимость хроматической дисперсии в интересующем интервале длин волн. В данной работе выбор новых структур проводился на основе расчетов по решению скалярного волнового уравнения по заданному модельному профилю показателя преломления.

Компьютерное моделирование показало, что существует возможность создания ОВС с высоким процентным содержанием Ge в сердцевине (более 20 мол.%), имеющем нулевое значение хроматической дисперсии в области 1550 нм. Увеличение содержания Ge в сердцевине, уменьшение эффективной площади пятна моды и смещение нулевой длины волны хроматической дисперсии в область 1550 нм позволило увеличить чувствительность нового типа ОВС к нелинейным эффектам по сравнению с существующими сегодня германосиликатными ОВС.

Другим новым типом световодов является ОВС, который обладает плоской спектральной зависимостью дисперсии, причем плоская зависимость хроматической дисперсии сохраняется при изменении диаметра световода в процессе вытяжки. Данный тип ОВС может быть использован при создании новых источников излучения на основе эффекта генерации суперконтинуума. Следует отметить, что изготовление новых типов световодов, особенно ОВС с изменяющейся плоской дисперсией, представляет трудоемкий процесс, так как любые отклонения в ППП при изготовлении заготовки будущего световода приводят к изменению оптических характеристик, и первую очередь - к изменению дисперсионных характеристик.

Таким образом, волоконные световоды активно используются для передачи оптических сигналов на большие расстояния и в широкой полосе частот. Наибольшее применение волоконные световоды нашли в локальных компьютерных сетях (как в домашних, так и на производствах), кабельном телевидении, волоконно-оптических линиях связи.

Использование волоконных световодов позволит удовлетворить потребность в высокоскоростных линиях передачи данных, а также в обеспечении долговременного запаса прочности на будущее; стремление достигнуть максимальной защищенности от помех и от несанкционированного доступа извне.

Масштабы развития волоконно-оптической связи действительно поразительны. И новые результаты в скорости передачи информации с помощью волоконных световодов не заставят себя долго ждать.

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Оптоэлектроника -- одно из наиболее развитых направлений в функциональной микроэлектронике, поскольку оптические и фотоэлектрические явления достаточно хорошо изучены, а технические средства, основанные на этих явлениях, длительное время используются в электронике (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фотодиоды, фототранзисторы и др.). Тем не менее оптоэлектроника как самостоятельное научно-техническое направление возникла сравнительно недавно, а ее достижения неразрывно связаны с развитием современной микроэлектроники.

Первоначально Оптоэлектроника считалась сравнительно узкой отраслью электроники, изучающей лишь полупроводниковые светоизлучатели и фотоприемники. Однако в последнее время понятие «Оптоэлектроника» значительно расширилось. Теперь в него включают и такие недавно возникшие направления, как лазерная техника, волоконная оптика, голография и др. В соответствии с рекомендациями МЭК (Международной электротехнической комиссии) оптоэлектронный прибор определяется как прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях; или же прибор, использующий такое электромагнитное излучение для своей работы.

Оптоэлектроника основана на электронно-оптическом принципе получения, передачи, обработки и хранения информации, носителем которой является электрически нейтральный фотон. Совмещение в оптоэлектронных функциональных устройствах двух способов обработки и передачи информации -- оптического и электрического -- позволяет достигать огромного быстродействия, высокой плотности размещения хранимой информации, создания высокоэффективных средств отображения информации. Очень важным преимуществом элементов оптоэлектроники является то, что они оптически связаны, а электрически изолированы между собой. Это обеспечивает надежное согласование различных оптоэлектронных цепей, способствует однонаправленности передачи информации, помехоустойчивости каналов передачи сигналов. Изготовление полупроводниковых элементов оптоэлектроникн -- оптронов-- совместимо с интегральной технологией, поэтому их создание может быть включено в единый технологический цикл производства интегральных микросхем.

Оптоэлектроника является одним из наиболее динамично развивающихся научно-технических направлений в связи с резким расширением круга областей применения и способностью решать возникающие задачи нетрадиционными методами. Ключевое место оптоэлектроники в информационных системах обусловлено тем, что более 90% информации, которую получает человек, составляет видеоинформация. В связи с широким кругом применений в системах получения информации, ее обработки, хранения, передачи и отображения, а также разнообразием используемых материалов правомочной является постановка вопроса о целой гамме оптоэлектронных технологий, включая индикаторные системы, формирователи сигналов изображения, волоконно-оптические линии передачи информации, преобразователи солнечной энергии, оптическую вычислительную технику.

С учетом рыночной привлекательности ведущими оптоэлектронными фирмами интенсивно прорабатывается вопрос о разработке нового массового продукта, способного, в частности, заменить в персональных компьютерах мониторы на основе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ). Много внимания уделяется также фото- и видеотехнике, главным образом ПЗС-камерам.

Вместе с тем, несмотря на значительные успехи оптоэлектроники, существует точка зрения, что ее состояние на сегодняшний день можно сравнить с уровнем развития электроники до изобретения транзистора. Как правило, в настоящее время оптоэлектронная продукция продается в основном в виде дискретных элементов. Резкое расширение оптоэлектронного рынка ожидается после того, как произойдут существенные изменения в функциональных характеристиках приборов.

К таким качественно новым оптоэлектронным изделиям можно отнести оптоэлектронные компьютеры с архитектурой, подобной человеческому мозгу; стереоскопические системы, имитирующие характеристики человеческого зрения с автоматическими распознаванием движущихся объектов

Чрезвычайно перспективной считается коммерциализация информационных мультимедиа-систем, в которых оптоэлектроника должна играть ключевую роль. Ожидается, что она обеспечит создание широкополосных волоконно-оптически систем связи, оптических запоминающих устройств большой емкости, рассматриваемых в качестве приборного базиса зарождающейся мультимедийной инфраструктуры. Футурологическое описание завтрашнего дня подчеркивает все усиливающееся информационное обеспечение человека в мультимедийном обществе, в котором каждый будет иметь доступ к информационным источникам в любой точке мира. При этом, как предполагается, главные изменения ждут нас не только в быту, но и в бизнесе, индустрии и общественной деятельности.

В настоящее время считается, что ключевыми компонентами таких мультимедийных информационных систем XXI века должны стать:

- высокоразрешающее телевидение (в соответствии с рекомендациями МРЕG-2 оно должно обеспечивать сканирование экранов с форматом 1152х2048 элементов за такт при 30 тактах в секунду);

- сверхвысокоразрешающее телевидение (согласно рекомендациям MPEG-4 оно должно сделать возможным сканирование экранов форматом 2048х248 элементов за такт при 30 тактах в секунду);

- трехмерная компьютерная графика для систем виртуальной реальности.

С дальнейшим развитием технологии оптоэлектронных датчиков становятся реальными обработка и отображение не только видимых, но и рентгеновских, УФ- и ИК-изображений, а также ультразвуковых полей. Новые задачи, поставленные перед современной оптоэлектроникой, привели к формированию ее модернизированной концепции фотонноориентированной микроэлектроники, которая должна развиваться как комбинация фотоники и электроники, используя достижения каждого из этих направлений. В то же время на пути развития такой оптоэлектроники стоит много барьеров, так как на данный, момент еще не представляется возможным столь же эффективно управлять фотонами, как электронами.

Помимо ключевых технологий, определяющих функциональные характеристики и качество перспективной оптоэлектронной продукции, для успешной реализации массовой технологии указанных выше систем необходимо развитие целого ряда базовых технологий и главным образом технологии создания новых типов высокоэффективных полупроводниковых материалов и структур на их основе, включая квантово-размерные структуры (структуры с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками).

Отличительной чертой оптоэлектроники как научно-технического направления является разнообразие используемых материалов, при этом в ближайшей перспективе сохранится тенденция дальнейшего расширения гаммы применяемых полупроводниковых структур. В рамках традиционной оптоэлектроники при создании высокоэффективных оптоэлектронных структур в основном использовались строго упорядоченные монокристаллические материалы. В то же время существенное расширение рынка оптоэлектронной продукции и увеличение объемов производства вызвали необходимость учета экономических факторов, особенно себестоимости продукции. Это, в свою очередь, заставило по-новому взглянуть на неупорядоченные полупроводники с точки зрения как специфики протекания в них физических процессов, так и разработки эффективной технологии изготовления приборов. В связи с этим повышенный интерес вызывают аморфные гидрогенизированные материалы. Одновременно с этим внимание разработчиков наряду с неорганическими материалами начинают привлекать и органические материалы, обладающие большим потенциалом с точки зрения оптоэлектронных применений.

Ориентированность оптоэлектроники XXI века на системы получения, обработки, передачи, хранения и отображения больших массивов информации позволяет сделать вывод о том, что магистральный путь ее развития лежит в русле интегральной оптоэлектроники, частный случай которой отражает концепция фотонноориентированной микроэлектроники

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. daily.sec.ru

2. library.mepti.ru

3. www.fasi.gov.ru

4. www.usu.ru

Размещено на Allbest.ru